This thesis investigates the impact of doping on the optical and structural characteristics of cerium oxide (ceria) nanoparticles synthesized using chemical precipitation. The dopants selected are samarium and neodymium, which have positive association energy with oxygen vacancies in the ceria host, and negative association lanthanides, holmium and erbium, as well as two metal dopants, aluminum and iron. Characteristics measured are absorption and fluorescence spectra and the diameter and lattice parameter of ceria. Analysis of the characteristics indicates qualitatively that the dopant controls the O-vacancy concentration and the ratio of the two cerium ionization states: Ce+3 and Ce+4. A novel conclusion is proposed that the negative association lanthanide dopants can act as O-vacancies scavengers in ceria while the O-vacancy concentration increases in ceria doped with positive association lanthanide elements. Doped ceria nanoparticles are evaluated in two applications: dissolved oxygen (DO) sensing and up-conversion. In the first application, ceria doped with either Sm or Nd and ceria doped with aluminum have a strong correlation between the fluorescence quenching with the DO concentration in the aqueous solution in which the ceria nanoparticles are suspended. Stern-Volmer constants (KSV) of doped ceria are found to strongly depend upon the O-vacancy concentration and are larger than some of the fluorescent molecular probes currently used to measure DO. The KSV measured between 25-50oC is found to be significantly less temperature dependent as compared to the constants of commercially-available DO molecular probes. In the second application, up-conversion, ceria nanoparticles doped with erbium and an additional lanthanide, either Sm or Nd, are exposed to IR radiation at 780 nm. Visible emission is only observed after the nanoparticles are calcinated at high temperature, greatly diminishing the concentration of O-vacancies. It is concluded that O-vacancies do not play a dominant role in up-conversion, unlike that drawn for down-conversion, where the fluorescence intensity is strongly correlated with the O-vacancy concentration. Correlations between annealing temperatures, dopant, and dopant concentrations with the power dependence of up-conversion on the pump and the origin of the intensities of the visible emission are presented. These studies show the promise of doped ceria nanoparticles. / Ph. D.

Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation électrique et physico-chimique des grilles métalliques des dispositifs FDSOI MOSFET 14 nm à base d’oxyde high-K fabriqués chez STMicroelectronics. Ces grilles métalliques sont composées de couches de TiN, lanthane et aluminium, déposées par pulvérisation cathodique RF. Des structures de test et un schéma d’intégration simplifié permettant l’analyse capacitive ont été mis en place pour caractériser la modulation du travail de sortie effectif des grilles métalliques en TiN avec l’incorporation d'additifs tels que le lanthane ou l’aluminium. Ces additifs ont été incorporés suivant une approche de grille sacrificielle. Par ailleurs, une méthodologie inédite basée sur la fluorescence X a été proposée et validée pour la caractérisation précise en ligne de la diffusion des additifs. Cette méthodologie permet de prouver que la dose effective de l’espèce incorporée après recuit de diffusion peut être modélisée en fonction de l’épaisseur du TiN piédestal dans la grille sacrificielle ainsi que de la température de recuit. De plus, la variation de l’épaisseur de l’oxyde interfaciel sur une seule plaquette (oxyde biseau) autorise l’identification de l’origine physique de la modulation du travail de sortie effectif, qui s’explique par un dipôle qui évolue avec la dose effective de l’espèce incorporée. En conséquence, un modèle de la diffusion des dopants de grille dans l’oxyde high-K et de leur impact sur le travail de sortie effectif des grilles métalliques a été proposé afin de moduler avec précision la tension de seuil (VTH) des dispositifs FDSOI 14 nm. En outre, l’impact de l’oxyde high-K à la fois sur la diffusion des additifs et sur la modulation du travail de sortie effectif a été mis en évidence. Enfin, un procédé innovant de dépôt métallique, permettant la modification de la microstructure du TiN, a été développé afin d’améliorer davantage la variabilité locale du VTH des dispositifs FDSOI. / This Ph.D. thesis is focused on the fabrication and electrical and physicochemical characterization of metal gates in 14 nm high-K based FDSOI MOSFET devices, manufactured at STMicroelectronics. These metal gates are composed of TiN, lanthanum and aluminum layers, deposited by RF sputtering. Test structures and a simplified integration scheme allowing C-V measurements, have been implemented in order to characterize the modulation of the effective work function of TiN metal gates with the incorporation of dopants such as lanthanum or aluminum. These additives are incorporated in a sacrificial gate-first approach. Furthermore, a new methodology based on X-ray fluorescence was proposed and validated for accurate in-line characterization of the diffusion of dopants. This methodology enables to prove that the effective dose of the species incorporated into dielectrics after diffusion annealing may be modeled as a function of the thickness of the pedestal TiN in the sacrificial gate and the annealing temperature. Moreover, the variation of the thickness of the interfacial oxide along the wafer (bevel oxide) authorizes the identification of the origin of the modulation of the effective work function, which is explained by a dipole that evolves with the effective dose of the incorporated dopant. Accordingly, a model of the diffusion of dopants into the gate dielectrics and their impact on the effective work function of metal gates has been proposed to precisely modulate the threshold voltage (VTH) of the 14 nm FDSOI devices. In addition, the influence of the high-K oxide on both the diffusion of dopants and the modulation of the effective work function was highlighted. Lastly, an innovative process for metal deposition, allowing the modification of the microstructure of TiN, was developed in order to further improve the local VTH variability in FDSOI devices.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l'effet des rayonnements ionisants (rayons X et γ) jusqu'à une dose maximale de 1 Grad sur différents types de fibres multimodes (dopées -P, -P-Ce, -Ge, -Ge-F, -Ge-Ce et -N). Les caractérisations ont été réalisées principalement avec trois techniques expérimentales : online Atténuation Induite par Radiation en temps réel (RIA), Résonance Paramagnétique Electronique (EPR), Micro-Luminescence (ML). Dans la première partie du travail de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux radiations de différents types de fibres optiques. L'absorption liée aux défauts du phosphore induits par irradiation a été étudiée par des mesures RIA dans le domaine spectral UV-Visible. Les mesures EPR nous permis de détecter les défauts POHC, P1 et P2. En particulier, pour la détection de P1 et P2, nous avons utilisé le mode de détection de la seconde harmonique pour déterminer la cinétique de croissance des P1 et P2 en fonction de la dose. Nous avons également étudié les effets dus au changement des conditions de fibrage et ceux liés à la variation de la température d'irradiation (25-280 ° C). Nous avons aussi étudié l’effet du codopage du coeur de la fibre avec du Cérium. Dans ce cas, nous avons observé une production moins importante de centres POHC et P2 sous irradiation. De plus, les mesures EPR ont montré que la génération des défauts P1 n’est pas sensiblement influencée par le codopage avec le Cérium. En ce qui concerne les fibres optiques dopées Ge, on a étudié trois types de dopage : Ge seul, co-dopage Ge-F et Ge-Ce. Pour chaque type, nous avons examiné trois conditions de fibrage. La réponse à l’irradiation de ces fibres a été étudiée par les trois techniques utilisées. Plus particulièrement la ML, nous a permis d'obtenir une vision plus complète du rôle du codopant et des précurseurs dans la formation des défauts induits par l'irradiation. Nous avons également étudié la réponse au rayonnement de la fibre dopée N avec trois différentes conditions de fibrage. Les réponses à l’irradiation dans les régions spectrales UV-visible ont été obtenues par des mesures RIA. Par EPR, nous avons pu détecter deux défauts liés à l'azote pour les doses élevées de radiation. Enfin, les mesures ML sur les fibres irradiées ont montré trois bandes d'émission dans le visible qui ont été attribuées clairement à des centres émetteurs liés à l'azote. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les effets liés au chargement en oxygène des fibres étudiées. Par des mesures en microspectroscopie Raman, nous démontrons qu'un traitement à haute température et haute pression peut favoriser l’introduction d’une grande quantité de O2 dans les fibres optiques à cœur de silice pure (PSC) ou dopées F, Ge ou P. Les réponses à l’irradiation de certaines des fibres optiques chargées en O2 ont été étudiés (et en particulier PSC et celle dopée F. Sur la base des données de la littérature, nous avons effectué les décompositions des spectres RIA en fonction de la dose. De plus, l'étude EPR des fibres optiques dopées P et chargées en O2 a montré une forte réduction des défauts P1 et P2 comparées aux fibres non traitées. Dans cette partie de la thèse, j’ai également présenté les résultats concernant la radioluminescence infrarouge (1272 nm) des molécules O2 dans la fibre optique. La faisabilité d'un capteur de radiation pour des environnements sous fortes doses et forts débits de dose a été discutée / In this Thesis work we have investigated the effect of ionizing irradiation (X and γ rays) up to 1 Grad on different types of multimode optical fibers (P-doped, P-Ce-doped , Ge-doped, Ge-F-doped, Ge-Ce-doped, and N-doped). The experiments were carried out by three main experimental techniques: online Radiation Induced Attenuation (RIA), Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and Confocal Micro-Luminescence (CML). In the first part of the Thesis work we report on the radiation response of several types of optical fibers. The absorption due to radiation induced P-related defects was studied by RIA in the UV-Visible domain. Moreover, by EPR measurements we were able to detect POHC, P1 and P2 defects. In particular, for the detection of P1 and P2 defects we have validated the use of EPR second-harmonic detection mode which allowed us to obtain the growth kinetics of P1 and P2 with the dose. The effects due to the variation of the drawing conditions of the fibers were investigated as well as the ones due to the change of the temperature of irradiation (from 25 to 280 °C). Finally, concerning the P-doped OFs, we report on the effects due to the Cerium codoping of the core of the optical fiber. We observed a reduced generation of POHC and P2 centers under irradiation. However, EPR investigation has shown that the generation of P1 defects is essentially unaffected by the Ce-codoping. Regarding Ge-doped optical fibers we report on three basic typologies: Ge-doped, Ge-F-doped and Ge-Ce-doped. For each fiber typology we investigated three drawing conditions. The radiation responses of these fibers were characterized by RIA and EPR measurements. Furthermore, performing CML measurements we were able to obtain further insight on the role of the co-dopants and of the defect precursors in determining the radiation induced defects. We have also investigated the radiation response of N-doped OFs (three drawing conditions). The radiation responses in the UV-Visible domains were obtained by RIA, and by EPR measurements we were able to detect the signals of two N-related defects at high radiation doses. Finally, CML measurements on irradiated samples have shown three emission bands in the visible domain which are tentatively assigned to N-related centers. In the second part of the Thesis we report on the effects of an O2 loading treatment produces on some of the investigated samples. By micro-Raman measurements we demonstrate that a high pressure high temperature treatment can incorporate high quantity of O2 into Pure-Silica-Core (PSC), F, Ge and P doped optical fibers. The radiation responses of some of the O2-loaded optical fibers were investigated with particular regard to the fluorine doped and pure-silica-core optical fibers. On the basis of literature data we performed band decompositions of the RIA spectra as a function of the dose. Moreover, the EPR study of the O2 loaded P-doped optical fiber have shown a strong reduction of the signals associated to the P1 and P2 defects as compared to the untreated fibers. In this part of the thesis we also report on the characterization of the near infrared radioluminescence (1272 nm) of O2 molecules embedded in the optical fiber matrix and the feasibility of a radiation sensor based on this phenomenon for environments characterized by high radiation doses and high dose-rates

When doing computations on the negatively (positively) charged NV-center in diamond, the common procedure is to add (subtract) an electron from the system. However, when using periodic boundary conditions, this addition/subtraction of an electron from the supercell would result in a divergent electrostatic energy. So an artificial background jellium charge of opposite charge that compensate the electronic charge to make the supercell neutral is needed. This introduces further problems that needs corrections. And this method is especially problematic for slab supercells, as the compensating background charge leads to a dipole, which diverges as the vacuum between the slab images increases. An alternative, recently proposed way of charging the NV-center is to introduce electron donors/acceptors in the form of nitrogen/boron atoms (at substitutional sites in the diamond lattice). In this way, we keep the supercell/slab neutral, and avoid correction schemes. In this work we verify that the addition of a substitutional nitrogen atom indeed has the same effect on the NV-center as the more traditional method of adding an extra electron to the system. Further, we investigate the effects of 1. Adding two substitutional nitrogen atoms to the system (3 nitrogen atoms in total, neutral supercell), 2. Adding a substitutional nitrogen atom and an electron to the system (2 nitrogen atom in total, negatively charged supercell), 3. Adding two electrons to the system (1 nitrogen atom, doubly negatively charged supercell). Additionally, we investigate the addition of acceptor dopants (boron) in order to analyze the effect on the electronic structure of the NV-center and diamond.

L'holographie électronique "off-axis" est une technique de MET sensible à la densité locale de porteurs, elle permet facilement une cartographie 2D du potentiel électrostatique et, par son large champ de vue, une analyse des profils de dopants actifs, directement utilisables pour le calibrage des outils de simulation des procédés. Les travaux de cette thèse (convention CIFRE entre le CEA-LETI et STMicroelectronics) ont pour objet, d'une part l'établissement de protocoles de préparation des échantillons, d'acquisition des données en holographie électronique, et d'autre part la comparaison entre les résultats de la mesure et ceux de la simulation à l'aide des outils TCAD. Pour mener cette étude, nous avons, dans un premier temps, étudié l'influence des paramètres du MET sur la résolution spatiale et le niveau de bruit de l'holographie. Puis, sur des échantillons élémentaires, nous avons prouvé la présence d'une couche inactive et mis en évidence les effets de charges induits par le faisceau de mesure. Ces artefacts ont été observés aussi bien dans les échantillons préparés par polissage mécano-chimique que lors de l'usinage des échantillons par FIB. Notre étude montre d'une part que la couche inactive cristalline induite par les défauts ponctuels générés par cette technique est contrôlée par l'énergie du faisceau FIB, et d'autre part, que les charges électriques de l'échantillon créent une sous-estimation du potentiel mesuré, inversement proportionnelle à la concentration de dopants. Enfin, la maitrise des artefacts de la technique nous ont permis de caractériser des transistors nMOS sur film mince de silicium, avec comme objectif le calibrage de l'implantation et la diffusion de l'arsenic. Les limitations d'une utilisation pratique de l'holographie électronique ont été étudiées par la comparaison de cartographies de potentiel électrostatique mesurées par cette technique et simulées par TCAD.

Ce travail a pour objet la stabilisation texturale d'une poudre de dioxyde de cérium en vue d'une utilisation en tant que support de catalyseur. Deux processus de pré frittage de cet oxyde ont pu être identifiés et étudiés séparément : La pente de surface microporeuse et le grossissement des cristallites. Pour chacun de ces deux processus, l'effet de la composition de l'atmosphère gazeux a été mis en évidence : La vapeur d'eau accélérant la disparition des micropores, l'oxygène ralentissant le grossissement des cristallites. Nous avons montré qu'à partir de la vitesse absolue, il est possible de déterminer une vitesse spécifique expérimentale, c'est-à-dire ne dépendant que des paramètres physico-chimiques, et de la comparer à une vitesse spécifique théorique déduite d'un modèle cinétique. L'addition de dopants dans la cérine a pour effet de modifier les vitesses de chacun des deux processus de chute de surface sans toutefois introduire de nouveaux phénomènes. La modélisation du grossissement des cristallites tient compte de ces ajouts par l'intervention de nouveaux défauts constitues par le cation étranger en substitution, associe ou non aux lacunes d'oxygène et aux électrons de l'oxyde.

Lorsque les verres bioactifs entrent en contact avec des tissus vivants, une série de réactions physico-chimiques (dissolution, précipitation...) ont lieu à l'interface matériau / os, et conduisent à la formation d'une couche phosphocalcique, dont la composition est proche de la phase minérale de l'os (hydroxyapatite). La couche d'apatite sert de site de minéralisation pour les cellules osseuses, ce qui permet in fine un lien intime entre le verre bioactif et les tissus osseux. Ce lien est caractéristique de la bioactivité, qui peut être modulée via plusieurs paramètres du verre comme la composition en éléments majeurs et traces ou les propriétés texturales (surface spécifique, porosité).Dans ce contexte, nous avons élaboré des verres bioactifs dans des systèmes binaires (SiO2-CaO) et ternaires (SiO2-CaO-P2O5). Ces verres ont été dopés en ions zinc et magnésium via la voie sol-gel. Grâce à l'emploi de tensioactifs, nous avons obtenu des verres mésostructurés. Enfin, en utilisant des méthodes dites " d'opale inverse ", des verres à macroporosité organisée ont été synthétisés. L'influence de ces paramètres sur la réactivité des verres au contact d'un milieu biologique (DMEM) a principalement été étudiée par des techniques utilisant des microfaisceaux d'ions. L'émission X induite par particules chargées (PIXE) combinée à la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) a en effet démontré des effets évidents sur la cinétique, l'amplitude et la distribution spatiale des réactions physico-chimiques.

Cette thèse porte sur l'étude de l'émissivité et de l'opacité dans les plasmas de fusion inertielle (FCI), et des processus atomiques dans les plasmas de fusion magnétique (FCM).En FCI, nous avons étudié les spectres d'émissivité du hohlraum de l'approche indirecte et d'opacité des dopants de l'ablateur. Leur connaissance permet d'améliorer la compression de la cible de D-T et ainsi favoriser les réactions de fusion. Nous avons caractérisé les spectres lié-lié de l'or, du carbone et du germanium au moyen de méthodes détaillées (code PPP) mais qui s'avèrent coûteuses en temps de calculs et limitées quand le nombre de niveaux/ions augmente. Pour optimiser le temps de calcul sans perdre en précision, une méthode hybride détaillée/statistique (code SCO-RCG) a fait l'objet de comparaison/validation avec le code PPP sur des cas tests. Cette approche a ensuite été appliquée au calcul de l'opacité totale (lié-lié, lié-libre, libre-libre) pour tous les états d'ionisation du germanium et du silicium. Les spectres obtenus sont ensuite comparés dans une large gamme d'énergies en vue d'optimiser la compression de la cible.En FCM, à partir d'expériences effectuées sur les tokamaks Tore Supra (CEA Cadarache) et ASDEX Upgrade (Max Planck Institut, Garching), nous nous proposons de développer une nouvelle base de données de physique atomique (sections efficaces, taux des processus,...) à l'aide du code HULLAC pour analyser des coefficients de transport. Le but de cette étude est la sensibilité aux données atomiques de la reconstruction des coefficients de transport par le code ITC. Pour le cas de l'argon, les sections efficaces de quelques processus sont présentées et les coefficients de taux sont comparés à ceux provenant du consortium ADAS.

Die überraschende Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid durch Böscke et al. im Jahre 2011 eröffnet zahlreich technologische Möglichkeiten wie zum Beispiel voll CMOS kompatible ferroelektrische RAM Speicherzellen. Als kristallographische Ursache für dieses Verhalten erwies sich die Raumgruppe Pca21. In theoretischen Untersuchungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie erwies sich diese Phase jedoch als thermodynamisch instabil. Ziel dieser Dissertation ist daher zu klären, wie diese Phase stabilisiert werden kann. Dazu werden Faktoren wie Stöchiometrie, Temperatur, Druck, Spannung, Grenzflächenenergie sowie Defekte und Dotierung mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die errechneten Ergebnisse werden mit Hilfe von Modellen interpretiert, welche im laufe dieser Dissertation erarbeitet werden. Es zeigt sich, dass neben dem energetischen Zustand auch der Herstellungsprozess des Materials eine bedeutende Rolle in der Stabilisierung der ferroelektrischen Phase von Hafniumoxid spielt. Abschließend wird versucht Verbindung zum Experiment herzustellen, in dem experimentell zugängliche Stellschrauben aufgezeigt werden, welche die ferroelektrischen Eingenschaften von Hafniumoxid verbessern können und sich aus den erarbeiteten Ergebnissen ableiten. / The surprising discovery of ferroelectric hafnium oxide by Böscke et al. in 2011 enables various technological possibilities like CMOS compatible ferroelectric RAM devices. The space group Pca21 was identified as the crystallographic cause of this behavior. However, this phase was proved to be thermodynamically unstable by several theoretical studies using density functional theory. Therefore, the goal of this dissertation is to investigate physical effects contributing to the stabilization of the ferroelectric phase by means of density functional theory. These effects include stoichiometry, temperature, stress, strain, interface energy, as well as defects and dopants. The computational results will be interpreted with models, which will be developed within this dissertation. It will become apparent, that in addition to the energetic state, the production process of a sample plays an important role in the stabilization of the ferroelectric phase of hafnium oxide. In the conclusion, this work will attempt to find a connection to the experiment, by identifying experimentally accessible parameters within the computational results which can be used to optimize the ferroelectric properties of ferroelectric materials.

Technology where a solitary dopant acts as the active component of an opto-electronic device is an emerging  field known as solotronics, and bears the promise to revolutionize the way in which information is stored, processed and transmitted. Magnetic doped semiconductors and in particular (Ga, Mn)As, the archetype of dilute magnetic semiconductors, and topological insulators (TIs), a new phase of quantum matter with unconventional characteristics, are two classes of quantum materials that have the potential to advance spin-electronics technology. The quest to understand and control, at the atomic level, how a few magnetic atoms precisely positioned in a complex environment respond to external stimuli, is the red thread that connects these two quantum materials in the research presented here. The goal of the thesis is in part to elucidate the properties of transition metal (TM) impurities near the surface of GaAs semiconductors with focus on their response to local magnetic and electric fields, as well as to investigate the real-time dynamics of their localized spins. Our theoretical analysis, based on density functional theory (DFT) and using tight-binding (TB) models, addresses the mid-gap electronic structure, the local density of states (LDOS) and the magnetic anisotropy energy of individual Mn and Fe impurities near the (110) surface of GaAs. We investigate the effect of a magnetic field on the Mn acceptor LDOS measured in cross-sectional scanning tunneling microscopy, and provide an explanation of why the experimental LDOS images depend weakly on the field direction despite the strongly anisotropic nature of the Mn acceptor wavefunction. We also investigate the effects of a local electrostatic field generated by nearby charged As vacancies, on individual and pairs of ferromagnetically coupled magnetic dopants near the surface of GaAs, providing a means to control electrically the exchange interaction of Mn pairs. Finally, using the mixed quantum-classical scheme for spin dynamics, we calculate explicitly the time evolution of the Mn spin and its bound acceptor, and analyze the dynamic interaction between pairs of ferromagnetically coupled magnetic impurities in a nanoscaled semiconductor. The second part of the thesis deals with the theoretical investigation of a single substitutional Mn impurity and its associated acceptor state on the (111) surface of Bi2Se3 TI, using an approach that combines DFT and TB calculations. Our analysis clarifies the crucial role played by the spatial overlap and the quasi-resonant coupling between the Mn-acceptor and the topological surface states inside the Bi2Se3 band gap, in the opening of a gap at the Dirac point. Strong electronic correlations are also found to contribute significantly to the mechanism leading to the gap, since they control the hybridization between the p orbitals of nearest-neighbor Se atoms and the acceptor spin-polarization. Our results explain the effects of inversion-symmetry and time-reversal symmetry breaking on the electronic states in the vicinity of the Dirac point, and contribute to clarifying the origin of surface-ferromagnetism in TIs. The promising potential of magnetic-doped TIs accentuates the importance of our contribution to the understanding of the interplay between magnetic order and topological protected surface states.